|
USB4 全名为Universal Serial Bus Generation 4。USB 这个介面在1996 年发布USB 1.0 规格, 传输速度支援低速1.5 Mbps 与全速12 Mbps，以及之后陆续发表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，并在2019年9 月发布最新一代USB4 规格，支援20 Gbps 与40 Gbps。USB 介面演进及相对应的logo，请参考图表一。 ( ~* e$ E i; A! |
图表一 ; x) F7 }6 B& d5 k9 V c* w USB4新功能三大重点 1. USB4 只采用USB Type-C 连接器，USB4 讯号采双通道传输; 而过去的连接器如USB Type-A 或Micro-B，仅支援单通道传输，无法支援USB4。 1 C% D" {) h8 z. N( R9 c- ` 2. USB 传输速度最快支援40G (20Gbps x2)，并可同时传送DisplayPort 影音。旨在将多种协议组合到单个物理接口，可以动态共享USB4 架构的整体速度和性能。 8 h) C8 g! Q! z4 U: ~1 ^3 x 3. 向下相容USB 2.0 与USB 3.2及支援Thunderbolt 3。 3 h5 o, v$ M/ x* f! c USB4连接器与线缆重点 9 A3 S/ H* f8 q% K) }( j% S- O4 D 1.USB4 只采用USB Type-C 连接器。 2. USB4 Cable 被动线缆，可支援的被动线缆长度由USB 3.2 Gen2 的1 公尺，降为USB4 Gen3 的0.8 公尺。 3. 若需较长的线缆，如连接大尺寸萤幕，或是VR 应用，可使用主动式线缆。USB4 主动式线缆为含有Repeater 元件(如Re-timer，Re-driver 等主动元件)的线缆，以及光纤线缆等。至于可支援的主动式线缆长度最长为5 公尺。 USB4架构重点 6 m5 _9 [( u9 o2 p/ C- t4 Y USB4 主要构成元件有路由器(Router) ，适配器(Adapter)，以及TMU (Time Management Unit，时间管理单元)。 . e- b) S$ ^# z2 V; K 1. 路由器是USB4 的一个主要建构模块，路由器将隧道协议转换成USB4 封包传送，并透过TMU来作时间同步。主要由USB Host 内建的Connection Manager 来侦测及管理。 . e r* Q: z- ^ 2.适配器是内建在路由器里，主要功能为路由器与外部元件沟通的媒介，进行协定转换。例如USB4 Host在传输USB3 资料(如图二)，由内部USB3 Host 透过USB3 Adapter 进行协定封装成USB4 Tunneled Packet。一个路由器内部最多可以支援64个适配器。 ; v" d1 Q: {1 M9 B 3.TMU 是内建在路由器里，使用分布式时间管理单元(TMU)，在路由器间做时间同步。 , `& I+ H- f/ R1 E
图二 USB4以功能区分五种层级 1. Protocol Adapter Layer：负责USB4 与不同协议间进行对应，并把不同协议封装成Tunneled Packet，在USB4 介面内传递。 2. Configuration Layer：负责处理由Connection manager 传送来的控制封包(Control Packets) ，并附加路径中对应的地址(address)，确保其可靠的传送机制。 3. Transport Layer：定义封包格式、路径、流量控制与时序控制，并产生link management Packets 以提供时间同步封包、流量控制封包等。 ' K- C( ?: W0 f+ d5 t 4.Logical Layer：负责建立2 个装置之间的USB4 连结，提供资料传送与接收、编码与解码，电源管理，错误侦测及复原机制，并且透过Sideband Channel 进行通道初始化的沟通，包括速度及双通道沟通。 5. Electrical Layer：定义USB4 电气讯号的特性，如电压、抖动、编码等。 ' z$ }) e7 Y/ B, l
图三 如图四，以USB3 Tunneling为例，USB4 Host 透过USB3 Protocol Adaptor，将USB3 Protocol 经USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 转USB4 Link 传送到USB4 Hub Electrical Layer。再依图四顺序进行一连串USB3/USB4 转换，将讯号传送到USB4 Device。 
图四 USB3 隧道协议 ; U9 C! Q' u- d USB4 讯号由PCIe、USB3 及DisplayPort 隧道协议组成。此篇幅单就USB3 隧道协议讲解。USB3 隧道协议，指的是将原始USB3 封包经由Protocol Adapter Layer 封装成Tunneled 封包，藉由图五可以清楚知道，红色部分是USB3 的封包，而蓝色部分是Tunneled 封包，UFP(Upstream Facing Port)与DFP(Downstream Facing Port)之间会使用Physical Layer 传输。 
图五 ! y X4 c3 U% l/ K" ]1 ] USB4产品类型 & H7 J8 N9 F/ K x( c' S; t. m( Y 1. USB4 Host：产品有一个以上DFP，没有任何的UFP。 7 I* }; j: ]. O& t! ? 2.USB4 Hub：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP。 3.USB4-Based Dock：产品有一个UFP，并且有一个或多个DFP，且产品内还有其他元件的功能，如储存装置或网路功能。 4.USB4 Device: 产品有一个UFP，没有任何的DFP。 & b! v" W! j" k USB4支援的隧道协议 / ]! C2 b. H/ B& b$ S/ ^! k 依据规格，对Host/ Hub/Dock/Device 必须支援的隧道协议有不同要求，如下图，打“V”为必须支援，其余则是可选择支援与否。 例如USB Host 必须支援USB3、DisplayPort 与Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 与TBT3 Tunneling。 
图六 USB4支援的传输速率 % X; B2 ^& w5 i# l, h- H$ |& n- y USB4 支援USB4 Gen2 的20Gbps 及USB4 Gen3 的40Gbps 速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援这两个速度? ( h" F. M' _& u; ]; b: C1 R: q 对USB4 Hub 与USB4-Based Dock 来说，必须同时支援20Gbps 及40Gbps。 ) N$ X. |$ q- M# x' Q! Y 对USB4 Host 与USB4 Device 来说，可以只支援20Gbps。(40Gbps 可列为额外支援，非必要支援速度)。 0 U' d: n$ r& I5 S* D+ x, x
图七 # m# L3 |8 K5 u3 G 结论 . ^. u' ~' T! n( Y4 J: i* { USB4 传输速率提升到40 Gbps，并且可以动态分享频宽，当使用一条USB Type-C 连接线就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 产品，对于消费者来说是一个更加便利的介面。但对于产品开发者来说，USB4 是一个比较大的挑战，除了产品设计和以往USB3 的产品在架构上的差异，加上高频信号在PCB 及连接器上的衰减，须更关注高频阻抗匹配，在开发阶段确保传输的信号品质。 |
